fot. LUMEL

Wymagania techniczne stawiane przez Operatorów Systemu Dystrybucyjnego (OSD) odbiorcom w zakresie przekładników stosowanych w układu pomiarowo-rozliczeniowego i zabezpieczeń wynikają w głównej mierze z aktualnych aktów prawnych oraz zatwierdzonej przez Urząd Regulacji Energetyki (URE) Instrukcji Ruchu i eksploatacji Systemu Dystrybucyjnego (IRiESD). Podstawowym zadaniem przekładników jest zapewnienie prawidłowości rozliczeń z dochowaniem odpowiedniej klasy dokładności oraz ochrona urządzeń przed skutkami zakłóceń w systemie elektroenergetycznym.

Przekładniki w systemie elektroenergetycznym pełnią funkcję przetwornika zapewniającego przetwarzanie wartości prądów i napięć pierwotnych na znormalizowane wielkości po stronie wtórnej. Galwaniczne odizolowanie obwodów pierwotnych i wtórnych chroni urządzenia pomiarowe przyłączone do strony wtórnej. W zależności od rodzaju przyłączonych urządzeń wtórnych i stawianych przed nimi zadań przekładniki muszą zapewnić odpowiednią dokładność w wymaganych zakresach pracy. Urządzenia wtórne służące do pomiaru energii elektrycznej wymagają bardzo dużej dokładności transformacji w zakresie pracy normalnej systemu elektroenergetycznego i projektowane są dla wąskich zakresów zmian wielkości pierwotnych. W przypadku pracy przekładników pomiarowych w stanach awaryjnych, niepożądanych przez użytkowników systemu elektroenergetycznego, takich jak zwarcia czy znaczne spadki napięć, wielkości błędów transformacji są bez znaczenia.

Dla przekładników zabezpieczeniowych najważniejsze jest prawidłowe odzwierciedlenie wielkości prądów i napięć w stanach awaryjnych. Nowoczesne, szybko działające zabezpieczenia wymagają dokładnej transformacji wielkości pierwotnych silnie odkształconych przez zwarcia.

Dobór przekładników pomiarowych 

Przekładniki prądowe 

Przekładniki prądowe w układach pomiarowo-rozliczeniowych powinny spełniać poniżej wymienione kryteria i charakteryzować się podanymi parametrami:

1. Znamionowe napięcie przekładnika (U_n) – wartość skuteczna napięcia izolacji obwodu pierwotnego przekładnika - nie powinna być niższa od znamionowego napięcia pierwotnego układu elektroenergetycznego.

2. Rzeczywisty prąd roboczy strony pierwotnej (I) powinien mieścić się w granicach od 20 do 120% (dla standardowo wykonanych przekładników ze współczynnikiem ext. 120%) znamionowego prądu pierwotnego przekładnika (I_n1) przy jednoczesnym prognozowalnym poborze mocy czynnej nie mniejszym niż 20% I_n1.

(1)
(2)

W praktyce występuje często problem z określeniem mocy minimalnej pobieranej przez odbiorcę lub kiedy moc minimalna jest poniżej poziomu 20% In1. Rozwiązaniem tego problemu może być podniesienie klasy przekładnika prądowego, a w sytuacjach ekstremalnych również klasy licznika energii elektrycznej.

Przykładem niespełnienia wymogu zachowania minimalnego 20-procentowego progu poboru energii są wytwórcy energii elektrycznej, których pobór energii elektrycznej na potrzeby własne jest często w granicach 5% In1 przekładnika prądowego.

Dla odbiorców i wytwórców należących do grupy taryfowej B3 i B4 (grupy, w których znajduje się najwięcej wytwórców) wymagana klasa przekładnika prądowego wynosi 0,5. Dobierając przekładnik o klasie 0,2S przy 1% obciążenia otrzymujemy błąd graniczny odpowiadający błędowi przy 20% obciążenia w klasie standardowej 0,5, tj. ± 0,75% (rys. 1).

Rys. 1. Znormalizowane granice błędów prądowych Δi przekładników prądowych

W przypadku występowania etapowości w inwestycji związanej ze wzrostem mocy przyłączeniowej pomoce jest rozważenie zastosowania przekładników przełączalnych, które obsłużą cały zakres prądów znamionowych. Rozwiązanie to jest rozwiązaniem zdecydowanie bardziej ekonomicznym od konieczności zagwarantowania dla każdego kolejnego etapu oddzielnego kompletu przekładników prądowych.

Jeżeli różnice w mocy zamówionej nie są znaczne, z ekonomicznego punktu widzenia korzystniejsze będzie zastosowanie wyższej klasy dokładności przekładników prądowych, z uwzględnieniem ich możliwości przeciążenia do standardowej wartości ext. 120%. 

3. Znamionowy prąd wtórny przekładnika (I_n2) – wartość znamionowego prądu urządzenia wtórnego; w przypadku liczników energii elektrycznej najczęściej stosowany jest 5A, a w przypadku zastosowania bardzo długich obwodów wtórnych 1A.

4. Moc znamionowa przekładnika (Sn) – wartość mocy pozornej, która powinna być nie mniejsza niż całkowita moc pobierana przez urządzenia wraz z przewodami i zestykami przyłączonymi do strony wtórnej przekładnika, przy przepływie przez te obwody prądu znamionowego (I_n2). Obciążenie strony wtórnej przekładników powinno zawierać się w poniższym zakresie:

(3)
(4)
gdzie:	S1	– pobór mocy przez tor prądowy liczników energii elektrycznej
		– strata mocy na przewodach obwodów wtórnych pomiarowych
		– strata mocy na zestykach (dla rozdzielni wnętrzowych R = 0,05 Ω/1tor, dla rozdzielni napowietrznych R = 0,1 Ω/1tor).

Przy modernizowanych układach pomiarowych, gdy liczniki indukcyjne zastępowane są nowoczesnymi licznikami elektronicznymi ze znikomym obciążeniem torów prądowych, zachodzi często konieczność dodatkowego dociążenia wtórnych torów prądowych przekładników rezystorami dociążającymi włączonymi szeregowo w obwód. I tak, rezystor o rezystancji np. 0,2 Ω wprowadzi dodatkową wymaganą stratę mocy 5W. W obwodach prądowych stosuje się przewody miedziane o przekroju nie mniejszym niż 2,5 mm².

5. Współczynnik bezpieczeństwa przyrządów (FS) – według Instrukcji Ruchu i Eksploatacji Systemu Dystrybucyjnego (IRiESD) przekładniki prądowe powinny mieć współczynnik bezpieczeństwa przyrządu FS nie większy niż 5. 

6. Znamionowa wartość krótkotrwałego prądu cieplnego (I_th) – wartość skuteczna prądu pierwotnego, przy którym przekładnik ze zwartymi uzwojeniami wtórnymi powinien wytrzymać bez uszkodzenia w ciągu jednej sekundy. Określany jest jako wielokrotność znamionowego prądu pierwotnego, np. I_th = 100 x I_n1. W praktyce, po obliczeniu prądu I_th, sięgamy do karty katalogowej wytwórcy przekładników i dobieramy z odpowiedniej tablicy przy zakładanym prądzie pierwotnym przekładnik o I_th większym od obliczeniowego.

Problem z doborem odpowiedniego prądu termicznego może wystąpić, gdy odbiorca posiada małą moc przyłączeniową, a układ pomiarowy znajduje się w stosunkowo bliskiej odległości od GPZ-u. Wartości podłużne R i X linii są wówczas niewielkie, a wyznaczenia prądu początkowego zwarcia I_p dokonuje się wprost na podstawie reaktancji systemu elektroenergetycznego. Rozwiązaniem tego problemu może być uwzględnienie krótkiego czasu trwania zwarcia. Dane dotyczące czasów trwania zwarć z reguły widnieją w warunkach technicznych, a w przypadku ich braku można je uzyskać u Operatora Systemu Dystrybucyjnego (OSD) w Wydziale Zabezpieczeń. Gdy czas trwania zwarcia (t_k) wynosi mniej niż 1 s można wówczas wyznaczyć równoważny krótkotrwały prąd cieplny (I_thk) według poniższej zależności, wynikającej z adiabatycznego procesu nagrzewania przekładnika:

(5)

Dzięki temu krótkotrwały prąd cieplny rozpatrywanego przekładnika jest dobrany z odpowiednim zapasem do obwodu elektroenergetycznego o czasie trwania mniejszym niż 1 s. Wzór (5) jest również prawidłowy do wyznaczania krótkotrwałego prądu cieplnego dla zwarć o czasie trwania powyżej 1 s, co w efekcie wiąże się z koniecznością doboru przekładnika o I_th wyższym. Szczególnie ważne jest to w przypadku linii napowietrznej, gdzie układ zabezpieczeń wyposażony jest w automatykę SPZ. Przy działaniu automatyki SPZ przerwy bezprądowe są za krótkie do odprowadzenia ciepła i należy czasy zwarć sumować.

7. Najwyższa spodziewana wartość szczytowa prądu pierwotnego w nieustalonych stanach zwarciowych (I_dyn) powinna być mniejsza od wartości określającej wytrzymałość dynamiczną przekładnika. Jest to wartość szczytowa prądu pierwotnego, którą przekładnik ze zwartymi uzwojeniami wtórnymi powinien wytrzymać bez uszkodzenia elektrycznego lub mechanicznego w wyniku działania sił elektrodynamicznych. Wartość znamionowego prądu dynamicznego powinna być 2,5 raza większa od znamionowego krótkotrwałego prądu cieplnego i powinna być podana na tabliczce znamionowej, gdy jest inna od wartości:

(6)

8. Przekładniki wielordzeniowe. Ze względu na wykorzystywanie w sieci małogabarytowych rozdzielnic konsumentowych SN powstaje problem z zainstalowaniem większej liczby kompletów przekładników prądowych w jej polach dopływowych. Popularnym rozwiązaniem stosowanym przez projektantów jest stosowanie przekładników wielordzeniowych.

Rozwiązanie to jest dopuszczalne, niemniej jednak stanowi poważny problem eksploatacyjny, polegający na ograniczonym dostępie do rdzenia na cele zabezpieczeniowe z powodu konieczności oplombowania przez pracowników OSD całego pola dopływowego lub całej listwy zaciskowej.

Zgodnie z IRiESD do uzwojenia wtórnego przekładników prądowych nie wolno przyłączać innych przyrządów.

Przekładniki napięciowe 

Przekładniki napięciowe w układach pomiarowo-rozliczeniowych powinny spełniać poniżej wymienione kryteria i charakteryzować się podanymi parametrami.

1. Znamionowy poziom izolacji – kombinacja wartości napięć, które charakteryzują izolację przekładnika pod względem jej wytrzymałości dielektrycznej, np. dla przekładnika UMZ 17-1 znamionowy poziom izolacji wynosi 17,5/38/95, gdzie: 17,5 – najwyższe dopuszczane napięcie urządzenia U_m (wartość skuteczna), 38 – znamionowe napięcie probiercze krótkotrwałe o częstotliwości sieciowej (wartość skuteczna), 95 – znamionowe napięcie probiercze udarowe piorunowe (wartość szczytowa).

2. Znamionowe napięcie pierwotne przekładnika (U_n1) – wartość napięcia pierwotnego, które występuje w oznaczeniu przekładnika i do którego odniesiona jest jego praca, np. dla przekładnika UMZ 17-1 znamionowe napięcie pierwotne wynosi odpowiednio (12; 12,5; 13,8; 15):√3.

3. Znamionowe napięcie wtórne przekładnika (U_n2) – wartość napięcia wtórnego, które występuje w oznaczeniu przekładnika i do którego odniesiona jest jego praca, np. dla przekładnika UMZ 17-1 znamionowe napięcie wtórne wynosi 100:√3 lub(i) 100:3.

4. Moc znamionowa przekładnika (Sn) – wartość mocy pozornej, która powinna być nie mniejsza niż całkowita moc pobierana (S) przez urządzenia przyłączone do strony wtórnej przekładnika w warunkach normalnych. Obciążenie strony wtórnej przekładników powinno zawierać się w zakresie:

(7)

W przypadku, gdy moc przyłączonych urządzeń (S) po stronie wtórnej jest niższa niż wymagane przez 25% próg kryterium, należy dociążyć układ stosując atestowane rezystory dociążające połączone w gwiazdę. 

W celu zapewnienia pracy ustroju pomiarowego w licznikach elektronicznych podczas zaniku dwóch napięć pomiarowych wewnętrzny zasilacz w liczniku przenosi całą moc obciążenia rozłożoną do tej pory symetrycznie na czynny tor napięciowy. Skutkuje to tym, że moc pobierana z toru napięciowego przekładnika wzrasta nawet trzykrotnie. Kolejnym aspektem jest praca liczników z dołączonym pomocniczym napięciem zasilania. W sytuacji, kiedy do licznika doprowadzone jest napięcie pomocnicze cały ustrój licznika zasilany jest z tego napięcia odciążając przy tym tory napięciowe przekładnika. W związku z powyższymi przypadkami niezbędne jest takie dobranie S_n przekładnika napięciowego i rezystorów, aby zapewniając minimalne 25% obciążenia w każdym wymaganym stanie pracy, obciążenie strony wtórnej nie przekroczyło S_n przekładnika.

5. Sposób włączenia uzwojenia pierwotnego jest określany jako fazowe lub na napięcie przewodowe. W nowo projektowanych i modernizowanych układach odchodzi się od układów Arona na rzecz układów trójsystemowych.

6. Współczynnik napięciowy (k_u) określa najwyższe napięcie pracy, które zależy zarówno od sposobów uziemienia sieci, jak i od połączenia uzwojenia pierwotnego przekładnika napięciowego. W zależności od włączenia przekładnika współczynnik przybiera różne wartości. Przekładniki włączone na napięcie przewodowe mają współczynnik k_u = 1,2. W przypadku podłączenia przekładnika między fazę a ziemię w sieci o skutecznie uziemionym punkcie gwiazdowym, współczynnik k_u ≥ 1,5, gdy warunek skutecznego uziemienia nie jest spełniony k_u ≥ 1,9; dla przykładu przekładniki UMZ 17-1 są produkowane ze współczynnikiem k_u = 1,9/8 h.

7. Dobór przekroju przewodu dla obwodu wtórnego napięciowego. W celu utrzymania uchybu w granicach dostosowanych do klasy dokładności przekładnika napięciowego i klasy aparatów procentowy spadek napięcia w przewodach łączących przekładnik z aparatami nie powinien przekraczać odpowiednich wartości. Dla układów trójsystemowych pomiarowo-rozliczeniowych przy klasie przekładnika napięciowego 0,5 ma zastosowanie poniższy wzór, który określa minimalny przekrój przewodu:  

(8)

l – długość obwodu wtórnego pomiarowego, m,

S_f – suma mocy pozornej wszystkich zasilanych liczników, VA,

R_d = R_b + R_st – rezystancja dodatkowa, gdzie:

R_b – rezystancja bezpiecznika w jednej fazie, Ω,

R_st – rezystancja zestyków w jednej fazie 0,025 Ω.

W obwodach napięciowych stosuje się przewody miedziane, przy czym ze względu na wytrzymałość mechaniczną przekrój przewodów nie powinien być mniejszy niż 1,5 mm².

8. Zabezpieczenie przekładnika napięciowego. Zabezpieczenie przekładnika napięciowego należy umiejscowić po stronie górnego napięcia. W przypadku przekładników WN i w uzasadnionych technicznie przypadkach dla przekładników SN dopuszczalne jest umiejscowienie zabezpieczania po stronie wtórnej przekładnika.

9. Przekładniki wielouzwojeniowe. „Zamawiając przekładnik z dwoma oddzielnymi uzwojeniami wtórnymi, z powodu ich wzajemnego oddziaływania, użytkownik powinien określić zakres mocy dla każdego z tych uzwojeń” (PN-EN 60044-2 pkt 12.2). W praktyce oznacza to, że przekładniki napięciowe konstrukcyjnie wykonywane są z jednym rdzeniem magnetycznym niezależnie od liczby uzwojeń wtórnych. Każde kolejne uzwojenie wtórne ma wpływ na prawidłową pracę pierwszego uzwojenia pomiarowego. Jeżeli użytkownik obciąży inną mocą niż znamionowa którekolwiek z uzwojeń wtórnych, uzwojenia te wpływają na pierwsze uzwojenie pomiarowe. W związku z powyższym błąd napięciowy uzwojenia pierwszego nieprzeciążonego zmieni się w stosunku do błędu, który miał przekładnik po opuszczeniu fabryki. W związku z powyższym nie należy stosować przekładników wielouzwojeniowych w układach pomiarowo-rozliczeniowych odbiorców, ponieważ nie ma możliwości kontroli niezaplombowanych torów napięciowych kolejnych uzwojeń przekładnika.

Dobór przekładników zabezpieczeniowych 

Podstawowe parametry przekładników zabezpieczeniowych ustala się identycznie jak w przypadku przekładników pomiarowych. Różnice występują w odniesieniu do wymagań dokładności transformacji i to zarówno w stanach normalnych, jak i przetężeniowych czy też nieustalonych.

Przekładniki prądowe

W odróżnieniu od prądowych przekładników pomiarowych, które muszą spełniać wymagania dokładności przy znamionowym prądzie pierwotnym, przekładniki zabezpieczeniowe muszą spełniać przede wszystkim wymagania dotyczące dokładności przy określonych przetężeniach odpowiadających iloczynowi znamionowego prądu pierwotnego przez współczynnik graniczny dokładności (ALF).

Znormalizowanymi wartościami współczynnika ALF są: 5-10-15-20-30. W przekładnikach rozdzielnic wnętrzowych SN najczęściej stosowane są współczynniki ALF = 10 lub 15. Liczbę oznaczającą współczynnik graniczny dokładności umieszcza się bezpośrednio po literze P oznaczenia klasy dokładności przekładnika do zabezpieczeń, np. 5P10. Klasa dokładności przekładników prądowych do zabezpieczeń jest oznaczona przez największy dopuszczalny błąd całkowity wyrażony w procentach przy znamionowym granicznym prądzie pierwotnym (iloczyn znamionowego prądu pierwotnego przez ALF) dla danej klasy dokładności poprzedzający literę P. Symbol 5P10 oznacza, że współczynnik graniczny dokładności jest równy 10 w klasie 5P, czyli przy prądzie pierwotnym równym ALFxI_n1 błąd całkowity przekładnika jest nie większy niż liczba określająca jego procentową wartość (5%).

Przy doborze parametrów zabezpieczeniowego obwodu wtórnego przekładnika pamiętać należy, że nie zawsze można przyjąć stałą wartość impedancji przekaźników zasilanych przez przekładnik prądowy. Może ona się zmienić w przypadku, gdy przekaźniki mają rdzenie ferromagnetyczne nasycające się w zakresie odpowiednich przetężeń. W przypadku przekaźników elektronicznych czy zabezpieczeniowych układów mikroprocesorowych problem dokładności nie istnieje, ponieważ pobór mocy przez te przekaźniki jest tak mały, że nie występują żadne trudności związane ze spełnieniem wymagań odnośnie do dokładności.

Tabela 1. Wymagane współczynniki graniczne oraz klasy dokładności dla zabezpieczeń:

Wymagania stawiane przekładnikom w zakresie dokładności transformacji zależą od rodzaju i typu stosowanego zabezpieczenia.

W tabeli 1 zestawiono współczynniki graniczne oraz klasy dokładności dla określonych zabezpieczeń.

Przekładniki napięciowe

Znormalizowanymi klasami dokładności przekładników napięciowych do zabezpieczeń są 3P i 6P. Przekładnikom tym oprócz wyżej wymienionych klas zabezpieczeniowych musi być przyporządkowana również klasa dokładności, jak dla przekładników do pomiarów. Warunek ten nie dotyczy uzwojenia wtórnego dodatkowego. Uzwojenie dodatkowe jednofazowego przekładnika napięciowego z jednym zaciskiem pierwotnym przewidzianym do uziemienia przeznaczone jest do łączenia w zestawie trzech jednofazowych przekładników w otwarty trójkąt w celu wytworzenia składowej zerowej napięcia w przypadku zwarć z ziemią oraz zasilania rezystora tłumiącego ferrorezonansowe drgania swobodne.

Do zabezpieczeń podnapięciowych dostateczne jest stosowanie przekładników klasy 6P. Do zasilania zabezpieczeń kierunkowych i odległościowych wymaga się stosowania przekładników klasy 3P. Natomiast do zasilania ziemnozwarciowych zabezpieczeń kierunkowych, instalowanych w sieciach o małym prądzie zwarć doziemnych, najlepiej jest stosować przekładniki o klasie nie gorszej niż 3P. Przy zasilaniu urządzeń tablicowych wystarczająca jest klasa 3P.

Wymienione wymagania dotyczą przekładników napięciowych indukcyjnych. Innym wymaganiom podlegają przekładniki napięciowe pojemnościowe ze względu na współpracę z ultraszybkimi zabezpieczeniami odległościowymi. Wiąże się to ze stanami nieustalonymi, towarzyszącymi nagłej zmianie napięcia pierwotnego.

LITERATURA:

[1] Cichoń H.: Ekonomiczne korzyści wynikające z optymalnego doboru przekładników. AR-U LIDAN P.R., Warszawa 2005

[2] Cichoń H.: Zasady doboru wnętrzowych przekładników niskich i średnich napięć do obwodów elektroenergetycznych. Wydawnictwo HAC, Warszawa

[3] Ciszewski R., Fulczyk K.: Projektowanie obwodów pomocniczych urządzeń elektroenergetycznych elektrowni i stacji. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1969

[4] Instrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej – Bilansowanie systemu dystrybucyjnego i zarządzanie ograniczeniami systemowymi (obowiązuje od 1 kwietnia 2008 r.)

[5] PN-EN 60044-1:2000 Przekładniki. Przekładniki prądowe

[6] PN-EN 60044-2:2001 Przekładniki. Przekładniki napięciowe indukcyjne

[7] PN-EN 60044-6:2000 Przekładniki. Wymagania dotycząc przekładników prądowych do zabezpieczeń w stanach przejściowych

[8] Wiszniewski A.: Przekładniki w elektroenergetyce. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1992

[9] Katalog firmy ABB: Produkty średniego napięcia. Przekładniki prądowe jednofazowe, wnętrzowe, wsporcze typu: TPU 4x.xx, TPU 5x.xx, TPU 6x.xx

[10] Katalog firmy ABB: Przekładniki napięciowe typu UMZ